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便攜式微型化是光譜儀器一個(gè)重要發(fā)展趨勢。便攜式微 型化是光譜儀器一個(gè)重要發(fā)展趨勢。本文通過對(duì)國內(nèi)外可見分 光光度計(jì)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的研究，并結(jié)合嵌入式ARM 技術(shù) 的特點(diǎn)，提出了基于 ARM 的可見分光光 度計(jì)的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)操作簡單，測 量準(zhǔn)確，正確實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)基本功能。

分光光度計(jì)是利用分光光度法對(duì)物質(zhì) 進(jìn)行定性、定量分析的儀器。常見的波長 范圍有紫外光區(qū) (200~400nm)，可見光區(qū) (400~760nm)，近紅外光區(qū) (760~2526nm)。 按工作光區(qū)的不同，分光光度計(jì)可分為可 見分光光度計(jì)、紫外可見分光光度計(jì)、紫 外可見近紅外分光光度計(jì) [1]。 微型分光光度計(jì)具有體積小、重量輕、 探測速度快、便于攜帶和成本低廉等優(yōu)點(diǎn) , 可用在電腦配色、光源的色度光譜檢測、 印刷、涂料、造紙及紡織實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析 等領(lǐng)域 , 因而引起了人們廣泛的興趣。分 光光度計(jì)主要由光學(xué)部分、光電轉(zhuǎn)換、視 頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換、USB( univ ersal serial bus) 接口和相關(guān)軟件組成。光學(xué)部分作用主要 是將積分球出射的光經(jīng)過準(zhǔn)直、色散、成 像在線陣 CCD( cha rg e couple device) 上[2]。

在自動(dòng)化方面，儀器的自動(dòng)化程度不 斷提高。20 世紀(jì) 60 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)被 國外公司廣泛使用。而我國從 20 世紀(jì) 80 年代初期開始重視實(shí)用計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算 機(jī)及其軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外許多 分光光度計(jì)的自動(dòng)化程度已經(jīng)達(dá)到相 當(dāng)高的水平 [3]。但是隨著可見分光光度計(jì) 的自動(dòng)化、便攜式、小型化和多功能化發(fā)展趨勢，以單片機(jī)為 處理器的產(chǎn)品往往存在數(shù)據(jù)處理能力相對(duì)較低、系統(tǒng)穩(wěn)定性低 等不足。針對(duì)以上單片機(jī)處理器存在的不足，本文結(jié)合 ARM 處理器的高性能、小體積、低功耗、低成本，16/32 位雙指令集， 支持多種操作系統(tǒng)和開發(fā)工具的特點(diǎn)，提出了以 ARM 處理器 為控制器的可見分光光度計(jì)設(shè)計(jì)方案 。 一、ARM 嵌入式系統(tǒng)介紹 ARM 嵌入式定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)， 軟硬件可裁剪，適合應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、 功耗嚴(yán)格要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝 置共同構(gòu)成了 ARM 嵌入式系統(tǒng)，如圖 1 所示。ARM 嵌入式處 理器主頻可達(dá)到幾十 MHz 至幾百 MHz，32 位結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大， 接口豐富，并且內(nèi)部可以集成操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度 。 整個(gè) ARM 嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它由 硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。

執(zhí)行裝置也 稱為被控對(duì)象，接收嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行 所規(guī)定的任務(wù)和操作。 嵌入式 CPU 是在特地為用戶群專門設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中工作， 將通用 CPU 中許多由板卡完成的任務(wù)集成到芯片內(nèi)部，在保 證系統(tǒng)性和可靠性的同時(shí)，還使系統(tǒng)符合小型化的設(shè)計(jì)趨 勢 [7]。 ARM 處理器核是系統(tǒng)中的引擎，它從存儲(chǔ)器讀取 ARM 或 Thumb 指令并執(zhí)行 [8]。ARM 微處理器核采用 RISC 構(gòu)架， 其特點(diǎn)是體積小、低功耗、低成本、高性能；支持 Thumb(16 位 )/ARM(32 位 ) 雙指令集，能很好的兼容 8 位 /16 位器件； 大多數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；大量使用寄存器，指令執(zhí)行 速度更快；指令長度固定；尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。 目前 ARM 處理器核中，應(yīng)用較多的有 ARM7 系列、ARM9 系 列、ARM9E 系 列、ARM10E 系 列、SecurCore 系 列 和 Intel 的 Xscale、StrongARM 系列。每個(gè)系列具有相對(duì)*的性能來滿 足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。 二、硬件電路的設(shè)計(jì) 整個(gè)硬件系統(tǒng)從功能上分為光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、微 處理器模塊、人機(jī)交互模塊、外圍通訊模塊。本測量系統(tǒng)的總 體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。光源燈發(fā)射的連續(xù)復(fù)合光譜經(jīng)單色器分解 成不同波長的單色光。單色光照射到溶液上，部分被溶液吸收， 部分透射溶液后照射到光電傳感器，轉(zhuǎn)換成微弱光電流。光電 流經(jīng)放大、濾波后以模擬量（與光電流成比例的電壓值）形式 輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 根據(jù)操作者的指令，系統(tǒng)自動(dòng)完成相應(yīng)功能，如透射比、 吸光度及濃度檢測，曲線繪制，打印，保存及傳輸功能 [10]。 CCD(charge couple device) 電荷耦合器件應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技 術(shù)在于驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生和輸出信號(hào)的采集與處理 [11]。 三、基于 ARM 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，用戶在分光光度計(jì)的精度與片， 此 芯 片 程 序 內(nèi) 在 達(dá) 到 512KB、 存 儲(chǔ) 器 容 量（RAM） 為 64KB、CPU 速度高達(dá) 72MHz、IO 口 為 80 個(gè)、而且支持 CAN， SPI，USB，DMA 等。 此儀器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在 于 ARM 開 發(fā) 環(huán) 境 的 搭 建， 以 及 如 何 將 MCS51 系統(tǒng)上程序移 植到此平臺(tái)上 [10]。 ARM Cortex-M3 環(huán)境搭建：開發(fā)平臺(tái) 使 用 Keil uVision5； 獲 取 STM32F103X 固 件 庫 STM32F10x_ StdPeriph_Lib_ V3.5.0； 調(diào) 試 工 具 JLink v8。為個(gè)能快速 熟悉、掌握、應(yīng)用此 開發(fā)平臺(tái)，于是購買 了 STM32F103 芯片系列的開發(fā)板。按照 開發(fā)板給出的例程，逐步學(xué)習(xí)、調(diào)試、 修改環(huán)境中的各個(gè)配置。 程 序 移 植： 因 MCU 的 主 頻 率 由 11M 到 72M，延時(shí)程序需重新調(diào)整；外 設(shè) 芯 片 的 驅(qū) 動(dòng) 模 式， 如 EEPROM 芯 片 W25Q16 由原來的 IO 口直接驅(qū)動(dòng)，而改 成 SPI 驅(qū)動(dòng)、馬達(dá)動(dòng)芯片由原達(dá)林頓改 為 THB6128 雙全橋 MOSFET 驅(qū)動(dòng)。測試 數(shù) 據(jù) 加“CRC-16/MODBUS” 校 驗(yàn)， 確 保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。與 PC 軟件通訊端口 采用 DMA 模式數(shù)據(jù)傳送，很大程度上 減輕了 CPU 資源點(diǎn)有率，大大節(jié)省系統(tǒng) 資源，提高數(shù)據(jù)傳速率。 UV2350 分光光度計(jì)波長系統(tǒng)采用絲 桿加細(xì)分電機(jī)模式，波長分辨率為 0.1nm； A/D 轉(zhuǎn)換器采用了 16 位的 AD7683 BRMZ 芯片，大大提高了儀器的度。 UV2350 準(zhǔn)確的說他不僅僅是一款儀器， 而是 ARM Cortex-M3 的一個(gè)開發(fā)平臺(tái)。 因有足夠大的存儲(chǔ)容量、足夠多的 IO 端 口，為以下的儀器擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。 2014 年 至 2015 年 2 年 間 在 ARM Cortex-M3 平 臺(tái) 陸 續(xù) 推 出 了 2150x、 LMT、V1600T、食品安全測試儀等機(jī)型。 2150x 更換了波長定位系統(tǒng)，采用了 細(xì)分電機(jī)（128 細(xì)分）直接驅(qū)動(dòng)光柵的模 式。此方式的優(yōu)點(diǎn)是波長定位快、造價(jià)低、 系統(tǒng)穩(wěn)定、一致性強(qiáng)對(duì)批量生產(chǎn)帶來了 方便。難點(diǎn)是波長對(duì)照表的生成，光柵 系數(shù)每毫米 1200 條刻劃，采用平面光柵 LITTROW 系 統(tǒng) 2a*SIN =mλ 在 excel 里計(jì)算出數(shù)據(jù)表如下（詳細(xì)計(jì)算方式略）。 LMT 為美國 LaMotte 公司訂制開發(fā)， 此 儀 器 內(nèi) 置 LaMotte 公 司 100 多 條 專 用 測試、而且增加蘋果認(rèn)證過的 RN42 藍(lán) 牙芯片。V1600T 液晶顯示器改為 240*128 分辨率，可外接藍(lán)牙 打印機(jī)。

四、結(jié)論 可見分光光度計(jì)以成為應(yīng)用面廣的分析儀器之一。它的 應(yīng)用領(lǐng)域涉及制藥、醫(yī)療衛(wèi)生、化學(xué)化工、生物、材料、農(nóng)業(yè)、 林業(yè)、漁業(yè)、環(huán)保、石油、食品等領(lǐng)域中的科研、教學(xué)、生產(chǎn) 等各個(gè)方面。根據(jù)分光光度計(jì)的特殊要求，選用合適的芯片構(gòu) 建分光光度計(jì)探測器驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浻布到y(tǒng)，回避了繁 瑣的固件和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，簡化了開發(fā)過程，縮短了開發(fā)時(shí)間 , 更易于為工程實(shí)踐所采用。